DE102015224437B4 - Vehicle electrical system voltage converter, vehicle on-board network with a vehicle electrical system voltage converter - Google Patents
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Abstract
Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler (SW) zur Umwandlung einer ersten Bordnetzspannung (U1) in einer zweiten Bordnetzspannung (U2) und einer dritten Bordnetzspannung (U3), umfassend:- einen ersten Stromanschluss (A1) und einen zweiten Stromanschluss (A2) zum Anschließen an der ersten Bordnetzspannung (U1);- zwei Primärwicklungsschaltungen (WP1, WP2), die zwischen dem ersten (A1) und dem zweiten (A2) Stromanschluss zueinander parallel angeschlossen sind;- einen dritten Stromanschluss (A3) und einen vierten Stromanschluss (A4) zum Bereitstellen der zweiten Bordnetzspannung (U2);- zwei Sekundärwicklungsschaltungen (WS1, WS2), die zwischen dem dritten (A3) und dem vierten (A4) Stromanschluss zueinander seriell angeschlossen sind;- einen fünften Stromanschluss (A5) zwischen den zwei Sekundärwicklungsschaltungen (WS1, WS2) zum Bereitstellen der dritten Bordnetzspannung (U3) zwischen dem fünften (A5) und dem vierten (A4) Stromanschluss;- wobei jeweils eine der zwei Primärwicklungsschaltungen (WP1, WP2) und jeweils eine der zwei Sekundärwicklungsschaltungen (WS1, WS2) paarweise miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind;- eine gemeinsame Glättungsdrossel (LG), die zwischen den zwei Sekundärwicklungsschaltungen (WS1, WS2) elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, Wechselspannungsanteile in der zweiten (U2) und der dritten (U3) Bordnetzspannung zu reduzieren,- einen steuerbaren Schalter (ST), der zwischen der Glättungsdrossel (LG) und dem fünften Stromanschluss (A5) elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand den fünften Stromanschluss (A5) von dem dritten Stromanschluss (A3) elektrisch zu trennen.Vehicle electrical system voltage converter (SW) for converting a first vehicle electrical system voltage (U1) in a second vehicle electrical system voltage (U2) and a third vehicle electrical system voltage (U3), comprising: - a first power connection (A1) and a second power connection (A2) for connection to the first Vehicle electrical system voltage (U1), two primary winding circuits (WP1, WP2) connected in parallel between the first (A1) and second (A2) power connections, - a third power connection (A3) and a fourth power connection (A4) for providing the second on-board voltage (U2), - two secondary winding circuits (WS1, WS2) connected in series between the third (A3) and fourth (A4) power connections, - a fifth power connection (A5) between the two secondary winding circuits (WS1, WS2) for providing the third vehicle electrical system voltage (U3) between the fifth (A5) and the fourth (A4) power connection, wherein in each case one of the two primary winding circuits a common smoothing inductor (LG) electrically connected between the two secondary winding circuits (WS1, WS2) and each one of the two secondary winding circuits (WS1, WS2) are electromagnetically coupled to each other; to reduce the second (U2) and the third (U3) vehicle electrical system voltage, - a controllable switch (ST), which is electrically connected between the smoothing reactor (LG) and the fifth electrical connection (A5) and is arranged, in an open switching state the fifth Disconnect the power connector (A5) electrically from the third power connector (A3).
Description
Technisches Gebiet:Technical area:
Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler sowie ein Fahrzeugbordnetz mit einem genannten Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler.The invention relates to a vehicle electrical system voltage converter and a vehicle electrical system with a said vehicle electrical system voltage converter.
Stand der Technik:State of the art:
Mehrspannungsbordnetze von Kraftfahrzeugen, insbesondere Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, mit mehreren Bordnetzzweigen weisen mindestens einen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler auf, der eingerichtet ist, eine Bordnetzspannung eines Bordnetzzweigs in eine andere Bordnetzspannung eines anderen Bordnetzzweigs und/oder umgekehrt umzuwandeln.Multi-voltage electrical systems of motor vehicles, in particular hybrid electric / electric vehicles, with several electrical system branches have at least one vehicle electrical system voltage converter, which is configured to convert a vehicle electrical system voltage of a vehicle electrical system branch into another vehicle electrical system voltage of another electrical system branch and / or vice versa.
Insbesondere gibt es Drei- oder Mehrspannungsbordnetze, in denen drei oder mehr Bordnetzspannungen für verschiedene elektrische Komponenten des Bordnetzes mit unterschiedlich hohen Betriebsspannungen vorgesehen sind.In particular, there are three- or multi-voltage systems, in which three or more vehicle electrical system voltages are provided for different electrical components of the electrical system with different high operating voltages.
Eine Offenlegungsschrift
Eine Offenlegungsschrift
Eine Offenlegungsschrift
Eine Offenlegungsschrift
Zur Umwandlung dieser drei bzw. mehr Bordnetzspannungen bedarf es somit ein Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler, der in der Lage ist, die drei bzw. mehr Bordnetzspannungen unterschiedliche Spannungsniveaus sicher in jeweils andere Bordnetzspannungen umzuwandeln.To convert these three or more on-board voltages thus requires a vehicle electrical system voltage converter, which is able to convert the three or more on-board voltages different voltage levels safely in each other on-board voltages.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur sicheren und kostengünstigen Umwandlung der unterschiedlichen Bordnetzspannungen eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.Thus, the object of the present invention is to provide a way for safe and cost-effective conversion of the different electrical system voltages of a vehicle electrical system of a motor vehicle.
Beschreibung der Erfindung:Description of the invention:
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler zur Umwandlung einer ersten Bordnetzspannung in einer zweiten Bordnetzspannung und einer dritten Bordnetzspannung umzuwandeln.According to a first aspect of the invention, a vehicle electrical system voltage converter for converting a first vehicle electrical system voltage in a second vehicle electrical system voltage and a third vehicle electrical system voltage to convert.
Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst einen ersten Stromanschluss und einen zweiten Stromanschluss zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes an der ersten Bordnetzspannung sowie zwei Primärwicklungsschaltungen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Stromanschluss zueinander parallel angeschlossen sind.The vehicle electrical system voltage converter comprises a first power connection and a second power connection for connecting the vehicle electrical system to the first vehicle electrical system voltage and two primary winding circuits which are connected in parallel between the first and the second electrical connection.
Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner einen dritten Stromanschluss und einen vierten Stromanschluss zum Bereitstellen der zweiten Bordnetzspannung sowie zwei Sekundärwicklungsschaltungen, die zwischen dem dritten und dem vierten Stromanschluss zueinander seriell angeschlossen sind.The vehicle electrical system voltage converter further comprises a third power connection and a fourth power connection for providing the second vehicle electrical system voltage, as well as two secondary winding circuits connected between the third and the second the fourth power supply are connected to each other in series.
Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner einen fünften Stromanschluss zwischen den zwei Sekundärwicklungsschaltungen zum Bereitstellen der dritten Bordnetzspannung zwischen dem fünften und dem vierten Stromanschluss.The vehicle electrical system voltage converter further comprises a fifth power connection between the two secondary winding circuits for providing the third vehicle electrical system voltage between the fifth and the fourth power connection.
Dabei sind jeweils eine der zwei Primärwicklungsschaltungen und jeweils eine der zwei Sekundärwicklungsschaltungen paarweise miteinander elektromagnetisch gekoppelt.In each case, one of the two primary winding circuits and one of the two secondary winding circuits are pairwise coupled to each other electromagnetically.
Mit dem oben beschriebenen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler ist ein Spannungswandler für ein Drei- bzw. Mehrspannungsbordnetz mit drei oder mehr voneinander galvanisch getrennten Bordnetzzweigen geschaffen, der einstufige Umwandlung von der ersten in die zweite und die dritte Bordnetzspannung ermöglicht. Die einstufige Spannungsumwandlung weist im Vergleich zu einer mehrstufigen Spannungsumwandlung einen geringeren Aufwand an Bauteilen, eine geringere Komplexität der Schaltung und somit geringe Kosten auf.With the vehicle electrical system voltage converter described above, a voltage converter for a three- or multi-voltage vehicle electrical system with three or more mutually galvanically separate on-board network branches is created, which allows single-stage conversion of the first to the second and the third board electrical system voltage. The single-stage voltage conversion, compared to a multi-stage voltage conversion has a lower cost of components, a lower complexity of the circuit and thus low costs.
Durch die Parallelschaltung der beiden Primärwicklungsschaltungen und die Reihenschaltung der beiden Sekundärwicklungsschaltungen kann ein hohes Transformator-Übersetzungsverhältnis erzielt werden, wodurch die erforderliche Spannungsfestigkeit der verwendeten elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen (unter der Berücksichtigung der möglichen Abschaltüberspannungen) gesenkt werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass vergleichsweise günstige elektrische bzw. elektronische Bauelemente bei dem Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler eingesetzt werden können. Zudem können Zeit-Spannungsflächen bei induktiven Bauelementen, wie z.B. nachfolgend zu beschreibenden Primär- und Sekundärwicklungen reduziert werden. Dies reduziert wiederum Kosten bei dem Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler.By the parallel connection of the two primary winding circuits and the series connection of the two secondary winding circuits, a high transformer gear ratio can be achieved, whereby the required dielectric strength of the electrical or electronic components used (taking into account the possible Abschaltüberspannungen) can be reduced. This in turn has the advantage that comparatively favorable electrical or electronic components can be used in the vehicle electrical system voltage converter. In addition, time-voltage surfaces may be used in inductive devices, e.g. be reduced to be described below primary and secondary windings. This in turn reduces costs in the vehicle electrical system voltage converter.
Vorzugsweise umfassen die zwei Primärwicklungsschaltungen jeweils eine Vollbrückenschaltung und jeweils eine Primärwicklung. Dabei umfassen die Vollbrückenschaltungen jeweils zwei Halbbrücken, wobei die Primärwicklungen der jeweiligen Primärwicklungsschaltungen zwischen den zwei Halbbrücken der entsprechenden Vollbrückenschaltungen elektrisch angeschlossen sind.Preferably, the two primary winding circuits each comprise a full bridge circuit and a respective primary winding. In this case, the full bridge circuits each comprise two half bridges, wherein the primary windings of the respective primary winding circuits are electrically connected between the two half bridges of the corresponding full bridge circuits.
Die zwei Sekundärwicklungsschaltungen umfassen jeweils eine Sekundärwicklung und jeweils einen der jeweiligen Sekundärwicklungen nachgeschalteten Gleichrichter, wobei die Sekundärwicklungen mit den jeweiligen Primärwicklungen der korrespondierenden Primärwicklungsschaltungen elektromagnetisch gekoppelt sind.The two secondary winding circuits each comprise a secondary winding and a respective rectifier connected downstream of the respective secondary windings, the secondary windings being electromagnetically coupled to the respective primary windings of the corresponding primary winding circuits.
Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner eine gemeinsame Glättungsdrossel, die zwischen den zwei Sekundärwicklungsschaltungen elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, Wechselspannungsanteile in der zweiten und der dritten Bordnetzspannung zu reduzieren.The vehicle electrical system voltage converter further comprises a common smoothing choke electrically connected between the two secondary winding circuits and configured to reduce AC components in the second and third vehicle electrical system voltages.
Durch die gemeinsame Nutzung der Glättungsdrossel und dem versetzten Ansteuern der beiden Primärwicklungsschaltungen kann die Glättungsdrossel kleiner dimensioniert werden.By sharing the smoothing choke and the staggered driving of the two primary winding circuits, the smoothing choke can be made smaller.
Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner einen steuerbaren Schalter, der zwischen der Glättungsdrossel und dem fünften Stromanschluss elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand den fünften Stromanschluss von dem dritten Stromanschluss elektrisch zu trennen.The vehicle electrical system voltage converter further includes a controllable switch electrically connected between the smoothing choke and the fifth power terminal and configured to electrically disconnect the fifth power terminal from the third power terminal in an open switching state.
Vorzugsweise liegt die zweite Bordnetzspannung bei über 40 Volt, insbesondere bei 48 Volt.Preferably, the second vehicle electrical system voltage is above 40 volts, in particular at 48 volts.
Vorzugsweise liegt die dritte Bordnetzspannung bei unter 40 Volt, insbesondere bei 12 Volt.Preferably, the third vehicle electrical system voltage is below 40 volts, in particular at 12 volts.
Die zwei Primärwicklungsschaltungen sind vorzugsweise zueinander schaltungstechnisch identisch ausgebildet. The two primary winding circuits are preferably formed identical to one another in terms of circuitry.
Vorzugsweise sind die zwei Sekundärwicklungsschaltungen ebenfalls zueinander schaltungstechnisch identisch ausgebildet.Preferably, the two secondary winding circuits are also identical to one another in terms of circuitry.
Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der zwei Primärwicklungsschaltungen, die ferner eingerichtet ist, die zwei Primärwicklungsschaltungen bzw. die Vollbrückenschaltungen der zwei Primärwicklungsschaltungen voneinander um 90 Grad versetzt anzusteuern. Dabei bedeutet das „versetzte Ansteuern“, dass pulsweitenmodulierte Steuersignale zur Steuerung der Halbleiterschalter der Vollbrückenschaltungen der zwei Primärwicklungsschaltungen bezogen auf die Signalperiode um 90° voneinander versetzt sind.The vehicle electrical system voltage converter further comprises a control unit for controlling the two primary winding circuits, which is further configured to control the two primary winding circuits or the full bridge circuits of the two primary winding circuits offset from each other by 90 degrees. In this case, the "offset activation" means that pulse-width-modulated control signals for controlling the semiconductor switches of the full-bridge circuits of the two primary winding circuits are offset by 90 ° relative to the signal period.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise ferner eingerichtet, zum Bereitstellen der dritten Bordnetzspannung die Vollbrückenschaltung eine der zwei Primärwicklungsschaltungen auszuschalten und die Vollbrückenschaltung einer anderen der zwei Primärwicklungsschaltungen in einem Halbbrückenbetriebmodus zu betreiben. Dabei ist ein Halbbrückenbetriebmodus ein Betriebsmodus, bei dem ein Schalter einer der beiden Halbbrücken der Vollbrückenschaltung durchgehend ausgeschaltet und der andere Schalter derselben Halbbrücke durchgehend eingeschaltet.The control unit is preferably further configured, for providing the third vehicle electrical system voltage, to switch off the full bridge circuit of one of the two primary winding circuits and to operate the full bridge circuit of another of the two primary winding circuits in a half bridge operating mode. In this case, a half bridge operating mode is an operating mode in which a switch of one of the two half bridges of the full bridge circuit is switched off continuously and the other switch of the same half bridge is switched on continuously.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeugbordnetz, insbesondere für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug, bereitgestellt, das einen ersten Bordnetzzweig mit einer ersten Bordnetzspannung, einen zweiten Bordnetzzweig mit einer zweiten Bordnetzspannung sowie einen dritten Bordnetzzweig mit einer dritten Bordnetzspannung umfasst. According to a further aspect of the invention, a vehicle electrical system, in particular for a hybrid electric / electric vehicle, is provided, which comprises a first on-board network branch with a first vehicle electrical system voltage, a second vehicle electrical system branch with a second vehicle electrical system voltage and a third vehicle electrical system branch with a third vehicle electrical system voltage.
Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner einen zuvor beschriebenen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler, der über den ersten und den zweiten Stromanschluss mit dem ersten Bordnetzzweig, über den dritten und den vierten Stromanschluss mit dem zweiten Bordnetzzweig, sowie über den fünften und den vierten Stromanschluss mit dem dritten Bordnetzzweig elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, die erste Bordnetzspannung des ersten Bordnetzzweigs in die zweite Bordnetzspannung des zweiten Bordnetzzweigs und in die dritte Bordnetzspannung des dritten Bordnetzzweigs umzuwandeln.The vehicle electrical system further comprises a vehicle electrical system voltage converter described above, via the first and the second power supply to the first electrical system branch, via the third and fourth power connection to the second electrical system branch, and electrically connected via the fifth and the fourth power connection to the third electrical system branch is and is set up to convert the first vehicle electrical system voltage of the first electrical system branch into the second vehicle electrical system voltage of the second vehicle electrical system branch and into the third vehicle electrical system voltage of the third vehicle electrical system branch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandlers sind, soweit im Möglichen auf das oben genannte Fahrzeugbordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Fahrzeugbordnetzes anzusehen.Advantageous embodiments of the vehicle electrical system voltage converter described above, as far as possible transferable to the above vehicle electrical system, also be regarded as advantageous embodiments of the vehicle electrical system.
Beschreibung der Zeichnung:Description of the drawing:
Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Schaltungstopologie ein Fahrzeugbordnetz mit einem Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.In the following, an exemplary embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. The single figure in a schematic circuit topology shows a vehicle electrical system with a vehicle electrical system voltage converter according to an embodiment of the invention.
Das Fahrzeugbordnetz
Dabei betragen die erste Bordnetzspannung
Das Bordnetz
Der Spannungswandler
Der Spannungswandler
Die beiden Primärwicklungsschaltungen
Der Spannungswandler
Auf einer mit dem zweiten und dem dritten Bordnetzzweig
Die zwei Sekundärwicklungsschaltungen
Die Gleichrichter
Der Spannungswandler
Der Spannungswandler
Der Spannungswandler
Der Spannungswandler
Nachdem die Schaltungstopologie des Fahrzeugbordnetzes
Zum Generieren der zweiten Bordnetzspannung
Durch die elektromagnetischen Kopplungen und die entsprechende Einstellung der Tastgrade der Steuersignale entstehen an den beiden Sekundärwicklungsschaltungen
Zum Generieren der dritten Bordnetzspannung
Dadurch entsteht am Ausgang der zweiten Sekundärwicklungsschaltung
Durch das Ausschalten der ersten Primärwicklungsschaltungen
Die Steuereinheit SE schaltet ferner den Schalter ST ein und verbindet somit die zweite Sekundärwicklungsschaltung
Durch die entsprechende Einstellung der Schaltfrequenz, des Tastgrades und der Schaltzeiten der positivspannungsseitigen und der negativspannungsseitigen Halbleiterschalter
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